Новости перспективных технологий

Созданы прозрачные литий-ионные аккумуляторы

Изображения с сайта science.compulenta.ru

В Стэнфордском университете (США) сконструированы прозрачные и гибкие литий-ионные аккумуляторы с оригинальными сетчатыми электродами.

В структуру обычного аккумулятора входят электродные материалы, токосборники, электролит, разделитель, устанавливаемый между анодом и катодом, и корпус. Изначально светопроницаемым здесь может быть только электролит, а традиционный метод создания прозрачных устройств — искусственное уменьшение толщины — не работает, поскольку LiCoO₂ и графит, чаще всего используемые при изготовлении катода и анода литий-ионных батарей, сохраняют хорошие поглощающие свойства даже тогда, когда их толщина составляет менее 1 мкм. При этом общая толщина электродного материала у аккумулятора, предназначенного для портативной электроники, будет, скорее всего, превышать 100 мкм.

Схема готового прозрачного аккумулятора и этапы его изготовления (иллюстрация из журнала Proceedings of the National Academy of Sciences).

Американские инженеры решили проблему совершенно другим способом, попытавшись уменьшить занимаемую непрозрачными элементами площадь, а не сделать их более тонкими. Основой прозрачного электрода нового типа стала подложка из полидиметилсилоксана (PDMS) с расположенными в виде сетки желобками шириной 35 мкм, сформированная с помощью кремниевого образца. После отделения PDMS от кремния на полимер нанесли 100-нанометровую золотую плёнку, которая выполняла функции токосборника. Затем на одном конце заготовки был установлен тонкий временный «барьер» из PDMS, создавший узкую область с закрытыми со всех сторон каналами. Когда водную суспензию активного электродного материала (катодным и анодным материалами стали наностержни LiMn₂O₄ и нанопорошок Li₄Ti₅O₁₂) помещали с одной стороны «барьера», капиллярные силы втягивали её в закрытые каналы, а потом она быстро заполняла все желобки.

На заключительном этапе лишнее золотое покрытие удаляли с помощью липкой каптоновой ленты, и процесс создания электрода завершался. При сборке аккумулятора два электрода и прозрачный гелеобразный электролит, который также играл роль разделителя, совмещались под оптическим микроскопом таким образом, чтобы желобки располагались точно друг над другом. Полученную трёхслойную конструкцию изолировали в прозрачной полимерной оболочке с двумя выступающими наружу алюминиевыми полосками.

Один из опытных образцов (фото Stanford News Service).

Изготовленные по такой технологии опытные образцы аккумуляторов показали плотность энергии в 20, 10 и 5 Вт•ч/л и прозрачность в 30, 60 и 78 процентов. Заметим, что обычные литий-ионные батареи имеют намного более высокую плотность энергии, но авторы надеются на то, что оптимизация их методики позволит поднять этот показатель до ~50 Вт•ч/л. Максимально возможную плотность для аккумуляторов с прозрачностью в 60% учёные оценили в 100 Вт•ч/л.

Удельная ёмкость аккумулятора с прозрачностью в 60% (иллюстрация из журнала Proceedings of the National Academy of Sciences).

Полная версия отчёта опубликована в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Информация с сайта science.compulenta.ru со ссылкой на материалы Стэнфордского университета.

Автор оригинального текста: Дмитрий Сафин.